Geofísica Elétrica aplicada a Geotecnia para investigação de estabilidade de taludes

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1 Geofísica Elétrica aplicada a Geotecnia para investigação de estabilidade de taludes Fernando da Fontoura Xavier Tecgeofisica, Florianópolis, Santa Catarina, Brasil, tecgeofisica@tecgeofisica.com.br Resumo: Este trabalho mostra a aplicação e resultados da Geofísica Elétrica aplicada a Geotecnia para investigação de estabilidade de taludes. O estudo inicia após um escorregamento e o interesse da Empresa sediada no local, Joinville, SC, em conhecer riscos futuros e ações a serem tomadas a curto, médio e longo prazo. A decisão da aplicação da Geofísica Elétrica para o mapeamento do subsolo dá-se principalmente pelo não agravamento da situação já existente, de instabilidade do talude. Este método investigativo não é invasivo e não gera nenhum movimento de solo ou subsolo na área ou seu entorno. O Estudo Geofísico se concentrou na investigação e definição da espessura do solo, posição da rocha, nível freático, presença de blocos, direção preferencial do fluxo subterrâneo e planos preferenciais de escorregamentos, obtendo informações importantes e confiáveis de como se comporta o subsolo na área de estudo permitindo o melhor direcionamento e programação das fases posteriores, de prevenção e remediação. Abstract: This work shows the application and results of geophysical electrical applied to Geotecnia for the stability of slopes research. The study starts after a slipping and the company's interest in local, Joinville, SC, to know future risks and actions to be taken in the short, medium and long term. The decision of the application of Geophysics electrical underground mapping is mainly by reducing the existing situation, slope instability. This method is not intrusive investigative and does not generate any movement of soil or subsoil or its surrounding area. The study geophysical surveys focused on research and definition of thickness, position of soil, groundwater level ameliorant, presence of blocks, underground flow preferred direction and preferred plans, slides scripts obtaining important and reliable as behaves the subsoil in the study area allowing better targeting and subsequent stages of programming, prevention and remediation. 1 INTRODUÇAO No Brasil, o crescente número de deslizamentos em áreas urbanas e habitadas trazendo em sua maioria vítimas fatais, destruição de moradias, de áreas comerciais e industriais, com incalculáveis prejuízos diretos e indiretos traz uma questão importante para a Geologia e Geotecnia: insistir e divulgar a importância do diagnóstico do subsolo, primeiro de forma preventiva, em locais com potencial de risco e de outro lado, mapeamento geológico-geotécnico após ocorrência de movimentos de terra para evitar e/ou anunciar novas ocorrências e balizar as diversas formas de intervenção. O mapeamento de subsolo seja raso, profundo ou muito profundo através dos diversos métodos geofísicos tem um princípio em comum, são ensaios não-destrutivos ou não invasivos, ou seja, sem penetração física no meio investigado. Souza (1988) e Souza (2006) apresentam vários exemplos que ratificam a importância da Geofísica nos tempos atuais, principalmente no que se refere as interferências no meio ambiente, a legislação ambiental e a excelente relação custo-benefício. 1 A Geofísica Elétrica se apresenta como ferramenta para diagnóstico geotécnico, uma investigação sem qualquer impacto físico, de baixo custo, com rapidez de execução e de resultados. Torna-se um diagnóstico rico de informações para decisões geológicas e geotécnicas como o caso a seguir apresentado desencadeado em conseqüência dos episódios de Novembro de 2008 em Santa Catarina, que castigaram, principalmente, as regiões do Vale do Itajaí e Norte Catarinense. Especialmente na área estudada ocorreram movimentos de massa nas encostas. Os proprietários, através de seus consultores, optaram pela investigação por meio indireto (eletrorresistividade), pois além dos resultados serem comprovadamente eficazes, a situação de risco da encosta é muito alta, sugerindo novos movimentos. Ainda Souza (2006) levanta uma característica única dos resultados alcançados através de métodos geofísicos, que é a visualização contínua do subsolo, em duas ou três dimensões, trazendo uma visão mais ampla da área de estudo o que, se comparado a métodos convencionais de investigação seria

2 praticamente impossível, mesmo se unidos os dados pontuais, ainda que muito próximos, o que usualmente não é possível, seja devido a custos, seja devido a tempo de execução, e ainda se acrescentarmos o fator tipo de área a ser estudada, riscos a deslizamentos. 2 ÁREA DE ESTUDO E CONTEXTO GEOLÓGICO A área de estudo está localizada no Distrito Industrial de Joinville, SC, na Rua Santos Dumont nº 3800 de propriedade e ocupação da Indústria Metalúrgica Pirâmide (Figura1). mais fina, solos espessos e pouco friáveis, alteração em forma de blocos e matacões, erosão diferencial e escorregamentos do tipo circular. Xavier (2005). A paisagem original foi parcialmente modificada por cortes (na base da encosta) e retaludamentos realizados ao longo da urbanização do Distrito Industrial. Especificamente na área estudada o processo de urbanização se deu através de pequenos cortes, retaludamentos e construção de muro de contenção (Figura 2). Figura 2: Vista da área antes do escorregamento Figura 1: Localização área de estudo A área de estudo (180m x 240m) está inserida no contexto geológico de rochas gnáissicas do Complexo Granulítico de Santa Catarina. A base geológica utilizada refere-se ao Mapa Geológico Folha Joinville, CPRM, 1981, na escala de 1: Este Complexo se apresenta na área composto por gnaisses granulíticos leucocráticos, caracterizados mesoscopicamente por uma granulação extremamente variável, desde fina a grosseira, predominando os tipos finos a médio. A foliação é constituída por alternâncias de bandas milimétricas e centimétricas de material quartzo feldspático e bandas milimétricas de material máfico. A coloração predominante é cinza médio a cinza-escuro, com tonalidade esverdeada. No geral, os raros afloramentos estão alterados e friáveis, e quando inalterados mostram-se bastante endurecidos. As principais características geotécnicas destas rochas dizem respeito à textura maciça a grosseiramente bandada nas porções de textura média, finamente bandada, nas porções de textura Figura 3: Vista da área após escorregamento O histórico da área diz respeito a movimentos de massa ocorridos na encosta localizada nos fundos do terreno em novembro de O movimento de maior magnitude atingiu, em parte, as instalações da referida Empresa. (Figuras 3 e 4). 2

3 outra, destinada a investigação vertical, a Sondagem Elétrica Vertical SEV. 3.1 Caminhamento Elétrico - CE Figura 4: Instalações atingidas, parede destruída. 3 METODOLOGIA Os trabalhos de Sondagem Geofísica ocorreram dentro de um contexto de trabalho integrado, envolvendo também levantamento de dados já existentes. Foram realizados estudos geoelétricos (Método da Eletrorresistividade) através de Caminhamento Elétrico (CE) e Sondagem Elétrica Vertical (SEV) com a finalidade principal de determinar as camadas de cobertura, presença de blocos, posição da rocha, planos preferenciais para escorregamentos, o nível do lençol freático e o sentido preferencial do fluxo subterrâneo. Desta forma os CEs e as SEVs foram plotados de modo a cobrirem a área do terreno da Empresa. Foram 1.200m lineares de Caminhamentos Elétricos (distribuídos em 6 CEs) e 2 Sondagens Elétricas Verticais (AB máximo de 200m). O método da eletrorresistividade emprega uma corrente elétrica artificial que é introduzida no terreno através de dois eletrodos (denominados de A e B), com objetivo de medir o potencial gerado em outros dois eletrodos (denominados M e N) nas proximidades do fluxo de corrente, permitindo assim calcular a resistividade real ou aparente em subsuperfície. Elis (2002). A resistividade elétrica relaciona-se aos mecanismos de propagação de corrente elétrica nos materiais. Em geral, a propagação de corrente elétrica em solos e rochas se dá devido ao deslocamento de íons dissolvidos na água contida nos poros e fissuras, sendo afetada principalmente pela composição mineralógica, porosidade, teor em água e quantidade e natureza dos sais dissolvidos. Apparao (1991). O equipamento utilizado RESISTIVÍMETRO consiste, basicamente, de uma fonte controlada para emissão de corrente elétrica e medidores para a corrente e a diferença de potencial gerada. A potência da fonte aqui utilizada foi de 150 Watts. Existem duas técnicas básicas para aplicação do método, aquela destinada a exploração horizontal/lateral, o Caminhamento Elétrico - CE e A técnica do Caminhamento Elétrico, ao contrário da SEV, tem como objetivo a investigação horizontal a uma ou várias profundidades aproximadamente constantes com medidas efetuadas ao longo dos perfis. Isso é obtido fixandose um espaçamento de eletrodos e caminhando-se com os mesmos ao longo de perfis realizando as medidas de resistividade aparente Arranjo dipolo dipolo (Figura 5). É importante salientar que a profundidade de investigação não depende unicamente da configuração geométrica do sistema de medidas, mas também dos contrastes das resistividades nas litologias em subsuperfície. Gallas (2000). Segundo Gallas (2000), a grande vantagem da utilização do Arranjo dipolo-dipolo é o fato de se tratar de um arranjo simétrico, sendo mais fácil a interpretação de uma pseudo-seção, principalmente para se determinar com segurança a posição de uma anomalia. Os dados sofrem, o que se chama de inversão geofísica, e são interpretados, neste trabalho, pelos softwares RES 2D INV e RES 3D INV gerando assim as imagens elétricas em 2D e 3D respectivamente. Em determinadas situações interpretações em 3D passam a ter relevância e devem ser aplicadas. Gandolfo (2005). Figura 5: Arranjo dipolo-dipolo com diferentes profundidades de investigação. Gallas (2000). 3.2 Sondagem Elétrica Vertical - SEV Esta técnica é aplicada quando se deseja uma informação pontual com observação da variação vertical da resistividade. O arranjo de campo escolhido é o denominado Schlumberger, onde os eletrodos de corrente são regular e simetricamente expandidos com relação ao ponto investigado Apparao (1991). Os valores de resistividade aparente são calculados fornecendo a curva de resistividade aparente, a qual é interpretada quantitativamente, através da inversão e do software IX1D v.2. Os resultados possibilitam a associação 3

4 das camadas geoelétricas à estratos geológicos variação do perfil litológico (Figura 6) Figura 6: Modelo de Schlumberger. Modificado de Elis (2002). 4 RESULTADOS OBTIDOS Foram realizados estudos geoelétricos de Caminhamento Elétrico e Sondagem Elétrica Vertical com a finalidade principal de determinar as camadas de cobertura, presença de blocos, posição da rocha, planos preferenciais para escorregamentos, o nível do lençol freático e a direção preferencial do fluxo subterrâneo. Desta forma os CEs e as SEVs foram plotados de modo a cobrirem a área do terreno. Foram 1.200m lineares de caminhamentos elétricos (distribuídos em seis CEs) e duas Sondagens Elétricas Verticais. (Figura 7). Figura 7: Localização das sondagens geofísicas O imageamento elétrico 2D compreende o estudo dos materiais em profundidade propiciando uma vista em perfil da área. Para apresentação foram selecionadas três imagens, CE 01, CE 02 e CE 03, do total de seis, que representam o perfil da encosta, alvo principal deste estudo. 4.1 Caminhamento Elétrico CE Os Caminhamentos Elétricos, denominados de CE 01, CE 02 e CE 03 foram realizados paralelamente a encosta no azimute NW. O arranjo de eletrodos utilizado para todos os CEs é o dipolo dipolo com espaçamento de 15m e seis (6) níveis de investigação. As interpretações dos Caminhamentos Elétricos foram realizadas com auxílio do software RES 2D INV e, na área em estudo, partiu de um modelo a priori, evoluindo-se para modelos de trabalho e modelos finais. Os CEs tiveram como principal objetivo a identificação das camadas geoelétricas e suas distribuições laterais. Nas figuras 07, 08 e 09 são apresentadas as seções modeladas de resistividade, obtidas pela inversão que ajusta os dados de resistividade aparente medidas em campo. As seções de resistividade mostraram que os valores de resistividade entre 34 e 450 ohm.m são interpretados como sendo relativo ao material natural predominantemente argilo-arenoso. Já os valores entre 450 e de 900 ohm.m são interpretados como material rochoso alterado/fraturado. Para a rocha sã a resistividade ficou acima dos 900 ohm.m. As imagens indicaram que o substrato rochoso tem forma ondulada. Esta forma ondulada apresenta uma superfície de contato com o solo que pode se constituir em plano sujeito a movimentos de massa (por exemplo, escorregamento circular). Os caminhos da água subterrânea são identificados pelos baixos valores de resistividade como também pela geometria da imagem, da encosta (côncavoconvexa) e do substrato rochoso. Também foi possível identificar a presença de diversos blocos e matacões envoltos na massa de solo. (Figuras 8, 9 e 10). Os imageamentos elétricos em 3D foram obtidos com os dados dos CEs apresentando imagens em planta a diferentes profundidades com seis níveis de investigação: nível 1= 0 a 5,25m; nível 2 = 5,25 a 11,3m; nível 3 = 11,3 a 18,2m; nível 4 = 18,2 a 26,2m; nível 5 = 26,2 a 35,4m, nível 6 =35,4 a 46,0m, gerando uma vista em 3D. Os níveis 1, 2 e 3 estão caracterizando, além da cobertura composta por material argilo-arenosa, a presença de vários blocos e matacões (em azul escuro na imagem) imersos nesta massa argiloarenosa. (Figura 11). Observam-se ainda os caminhos preferenciais da água subterrânea, indicando nestes, os locais preferenciais para a ocorrência dos movimentos de massa. O sentido do fluxo subterrâneo é de sudeste para noroeste. Nos níveis 4, 5 e 6 começa a predominar a presença da rocha, de sã a alterada fraturada. A anomalia mais marcante é a linha de fratura que corta a área na direção norte-sul. O fluxo subterrâneo começa a obedecer a linha de fratura, diminuindo sua intensidade com a profundidade. 4

5 Figura 8: Imagem elétrica 2D com interpretação geológica CE 01 Figura 9: Imagem elétrica 2D com interpretação geológica CE 02 Figura 10: Imagem elétrica 2D com interpretação geológica CE 03 5

6 4.2 Sondagem Elétrica Vertical - SEV Figura 11: Imagem elétrica 3D com interpretação geológica. Foram realizadas duas sondagens (SEV 01 e SEV 02) e os locais para sua execução foram determinados em função dos resultados obtidos no imageamento elétrico 2D bem como nos objetivos propostos. Sendo a SEV 01 realizada na base do talude próximo a um dos escorregamentos ocorridos e a SEV 02 foi realizada no topo da encosta. Os dados geofísicos foram tratados no software IX 1D, onde foram geradas as curvas e os modelos interpretativos das SEVs. Estes indicam uma diferença (constatada também nos CEs) na espessura de cobertura, sendo muito mais espessa (22,9m) na SEV 02 do que na SEV 01 (8,2m). Também podemos observar a diferença no nível do lençol freático, 3,9m na SEV 01 e 8,2m na SEV 02. Com base nos procedimentos de interpretação, o modelo de quatro estratos foi o que melhor se ajustou as curvas, possuindo a seguinte seqüência geoelétrica (Figura 12): Figura 12: Modelo geoelétrico interpretado SEV 01. 6

7 Figura 13: Modelo geoelétrico interpretado SEV 02 5 CONCLUSÕES A aplicação de métodos geofísicos elétricos e seus resultados têm sido amplamente documentada e publicada, seja para pesquisas de água subterrânea, seja para estudo de contaminação de aqüíferos ou pesquisa mineral das mais diversas. Em geotecnia o uso se dá em mapeamentos de subsolo para apoio a obras de engenharia, como usinas e pequenas centrais hidrelétricas, barragens, túneis rodoviários, projetos para instalação de gasodutos, entre outros. Ocorre que, além de resultados confiáveis, no caso do presente estudo, a questão dos riscos geológicos iminentes e movimentos que podem potencializá-lo trazem para o campo da Geofísica Elétrica uma nova vantagem direta, já conhecida, mas nunca antes tão importante, mapear subsolos sem correr riscos - sem interferir no ambiente. As principais vantagens desta técnica geofísica, além de não ser um método invasivo, são a facilidade de aquisição de dados, a realização de leituras em diversas profundidades, a versatilidade do equipamento em campo e a possibilidade de varredura de grandes áreas num curto espaço de tempo.goldstein et al (1990). A área estudada está inserida em um contexto geológico de rochas gnáissicas com espessura de cobertura de até 22m. Os valores de resistividade encontrados para os materiais são compatíveis com os indicados na bibliografia especializada. Os imageamentos elétricos 2D identificaram as camadas geoelétricas e sua distribuição lateral. Os materiais variam de cobertura argilosa saturada ou não até a rocha consolidada. As seções de resistividade mostraram que os valores de resistividade entre 34 e 450 ohm.m são interpretados 7 como sendo relativo ao material natural predominantemente argilo-arenoso. Já os valores entre 450 e de 900 ohm.m são interpretados como material rochoso alterado/fraturado. Para a rocha sã a resistividade ficou acima dos 900 ohm.m. Também podemos inferir que o substrato tem forma ondulada. Esta forma ondulada gera planos preferenciais para movimentos de massa, principalmente no contato solo-rocha. As imagens indicam o possível caminho da água subterrânea, sugerindo um desencadeamento de movimento com geometria rotacional/circular. Os imageamentos elétricos em 3D indicaram a distribuição dos materiais em planta, identificando principalmente as heterogeneidades nas camadas investigadas, distribuição em área e a direção do fluxo subterrâneo. Os níveis 1, 2 e 3 estão caracterizando, além da cobertura saturada ou não composta por material argilo-arenosa, a presença de vários blocos e matacões (em azul escuro na imagem) imersos nesta massa argilo-arenosa. Observam-se ainda os caminhos preferenciais da água subterrânea, indicando nestes, os locais preferenciais para a ocorrência dos movimentos de massa. O sentido preferencial do fluxo subterrâneo é de sudeste para noroeste. Nos níveis 4, 5 e 6 começa a predominar a presença da rocha (de sã a alterada fraturada) e a anomalia mais marcante é a linha de fratura que corta a área na direção norte-sul. O fluxo subterrâneo começa a obedecer a linha de fratura, diminuindo sua intensidade com a profundidade. A técnica da Sondagem Elétrica Vertical SEV nos permitiu definir a espessura dos materiais de cobertura, a zona saturada e a posição da rocha consolidada. As heterogeneidades dos materiais de cobertura influenciaram diretamente na interpretação das camadas geoelétricas. As variações foram da ordem de milhares de ohm.m, identificando materiais bastante resistivos, acima de ohm.m a materiais mais condutores, abaixo dos 50 ohm.m. A posição do maciço rochoso também foi obtida através da ascensão da curva de resistividade a ± 45. A espessura de cobertura, confirmando os imageamentos elétricos, é maior na porção superior da encosta (22,9m) e bem mais reduzida (8,2m) na base desta. O método da eletrorresistividade, o modelo utilizado e a interpretação geológica se mostraram uma ferramenta eficiente na definição dos principais parâmetros de avaliação dos processos de formação dos movimentos de massa, como por exemplo, espessura de cobertura, perfil contínuo do topo rochoso, presença de blocos e matacões, nível do lençol freático e planos de movimentação. Desta forma colaborando na correta ação preventiva ou em intervenções posteriores.

8 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Apparao, A. (1991) Geoelectric Profiling. Geoexploration. Elsevier Science Publishers B.V. Vol. 27, Amsterdam, Elis, V.R. (2002) Geofísica aplicada ao estudo de poluição de solos e águas subterrâneas. Aplicação de métodos geofísicos na caracterização de áreas poluídas. IAG Instituto de Astronomia e Geofísica da USP, Curso de Verão, São Paulo. Gandolfo, O.C.B e Gallas J.D.F. (2005) Eletrorresistividade 3D uma avaliação das potencialidades e limitações. Revista Brasileira de Geofísica, SBGf, Vol. 23 (2),.Rio de Janeiro, Gallas, J. D. F. (2000) Principais métodos geoelétricos e suas aplicações em prospecção mineral, hidrogeologia, geologia de engenharia e geologia ambiental. Tese de Doutorado, UNESP, Rio Claro, 259p. Geotomo Software. (2004) RES2DINV e RES3DINV. versão.2.14, 69 pp. Goldenstein N.E., Benson S.M. e Alumbaugh D. (1990) Saline groundwater plume mapping with electromagnetics. Geotechnical and Environmental Geophysics, Investigations in Geophysics, S.E.G, Vol. 2 (5), Interpex Limited. IX1D v.2. Software; User s Manual. Interpex Limited, Golden, Colorado, U.S.A. Loke, M.H. RES2DINV ver for Windows 3.1 and Rapid 2D resistivity and IP Inversion using the last-squares method. Penang:M.H. Loke Software User s Manual. Souza, L.A.P. (1988) As técnicas geofísicas de Sísmica de reflexão de alta resolução e sonografia aplicada ao estudo de aspectos geológicos e geotécnicos em áreas submersas. 35 Congresso Brasileiro de Geologia, Anais, Belém, Souza, L.A.P. (2006) Revisão crítica da aplicabilidade dos métodos geofísicos na investigação de áreas submersas rasas. Tese de doutorado. Instituto Oceanográfico, Universidade de São Paulo, 311p. Xavier, F.F. (2005) Mapeamento geoelétrico no aterro sanitário do município de Blumenau, SC. Anais do 11 o Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental, ABGE, Florianópolis,